Когда космические аппараты приземляются на Луну, их двигатели выбрасывают огромные облака пыли и обломков, которые могут повредить дорогостоящее оборудование и угрожать будущим лунным базам. Поскольку космические агентства планируют установить постоянное присутствие на Луне, понимание того, как образуются эти шлейфы, стало критически важным приоритетом.
Группа исследователей под руководством Руи Ни, доцента кафедры машиностроения в Инженерной школе Уайтинга при Университете Джонса Хопкинса, помогает ответить на этот вопрос, изучая сложное взаимодействие между ракетными выхлопами и поверхностью Луны.
С 2021 года в сотрудничестве с Центром космических полётов имени Маршалла НАСА и Мичиганским университетом команда Ни сосредоточилась на загадочном явлении — регулярно расположенных полосах пыли, расходящихся от точки приземления. Эта закономерность впервые была замечена в эпоху Аполлона и вновь обнаружена во время недавней посадки спускаемого аппарата Firefly Aerospace’s Blue Ghost.
Объяснить эту закономерность до сих пор не удавалось — пока этого не сделала команда Ни. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications. Учёные раскрыли динамику жидкости, стоящую за этим явлением, и показали, как вакуумная среда Луны усиливает поведение частиц пыли во время спуска.
«Мы поставили цель понять необычные закономерности, наблюдаемые при посадках на Луну, и обнаружили, что эти отличительные узоры являются результатом неустойчивости Гёртлера, явления в динамике жидкостей, когда искривлённый поток выхлопных газов над поверхностью Луны создаёт силы, генерирующие вращающиеся вихри, приводящие к характерным узорам, которые мы видим в пылевых облаках», — сказал Ни. «В более широком смысле мы изучаем, как частицы разрушаются и мобилизуются во время внеземных посадок».
Понимание этого явления с выбросом пыли — это больше, чем научный интерес. Высокоскоростная лунная пыль может вести себя как пескоструйная струя, потенциально повреждая посадочные модули, жилые помещения, солнечные панели и другую инфраструктуру, важную для лунного форпоста. Исследования Ни предлагают важные идеи для обеспечения более безопасных посадок и защиты будущих миссий от поверхности, которую они планируют исследовать.
Для этого команда установила систему из шести камер в 15-футовой вакуумной камере Центра космических полётов имени Маршалла, чтобы изучить эрозию, вызванную газовой струёй, проходящей над слоем имитации лунного грунта. Используя эту установку, они зафиксировали образование кратеров и отследили траекторию и скорость движения мелких частиц грунта.
«Мы обнаружили, что поразительно правильные узоры полос, наблюдаемые во время посадок, не вызваны выбранными местами посадки, — сказал Ни. — Вместо этого они возникают из-за поведения сверхзвукового ракетного шлейфа, когда он отпечатывается на гранулированной поверхности. Этот эффект особенно выражен на Луне из-за её почти вакуумной среды».
Хотя люди не возвращались на Луну более 50 лет, космическая наука продолжала получать пользу от знаний эпохи Аполлона. Но по мере приближения новых пилотируемых миссий пробелы в этих знаниях становятся критически важными для заполнения. Ни сказал, что понимание проблемы пылевого шлейфа особенно важно для будущих миссий программы «Артемида», где частью плана являются постоянные структуры, такие как лунный форпост.
«Наша работа помогает определить риски, предлагает способы их снижения и улучшает прогнозы скорости эрозии во время посадок», — сказал он. «Наши выводы прокладывают путь для будущих миссий по оптимизации стратегий посадки и снижению воздействия пылевых облаков на оборудование и видимость».
Члены команды из Университета Джонса Хопкинса включали докторантов Мигеля Х. Диаса-Лопеса и Мэттью Гормана.
Предоставлено Университетом Джонса Хопкинса.